Математическое моделирование процессов теплообмена в системе «солнечный коллектор — аккумулятор тепла»

Актуальность темы

Существует широко распространенное мнение, что солнечная энергия является экзотической и ее практическое использование — дело отдаленного будущего. На самом деле солнечная энергия — серьезная альтернатива традиционной энергетике уже в настоящее время.

Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана [95,78].

Несмотря на то, что Россия обладает существенными запасами ископаемых топлив и является одним из крупнейших поставщиков природного газа и нефти на мировой рынок, проблема рационального использования энергоресурсов в нашей стране не теряет своего значения.

Потенциальные запасы угля, природного газа, нефти в России действительно велики, но прирост добычи в дальнейшем будет осуществляться в основном за счет освоения новых месторождений в отдаленных и труднодоступных районах. Это требует очень больших капиталовложений в добычу и транспортировку топлива, что вызывает его существенное удорожание. Поэтому проблема снижения энергозатрат, утилизации всех видов вторичных энергоресурсов остается актуальной.

Растущая стоимость первичных энергоносителей повышает интерес к возобновляемым источникам энергии. Более 100 стран приняли участие во Всемирной конференции по проблемам возобновляемых источников энергии [37], которая состоялась в Бонне (Германия) в июне 2004 г.

Одним из путей снижения затрат топлива является использование возобновляемых источников энергии, особенно нетрадиционных, которые ранее либо совсем не использовались, либо использовались в очень ограниченных масштабах. К ним можно отнести солнечную энергию, энергию биомассы, гидротермальную, приливную и многие источники низкопотенциального тепла природного и искусственного происхождения.

Ни в одной стране мира нетрадиционные возобновляемые источники энергии не составляют основу топливно-энергетического баланса. Однако существует большое количество примеров, показывающих, что нетрадиционные источники энергии могут покрывать определенное количество потребности тепловой, электрической энергии и органического топлива. Например, в странах Европейского Союза в 2004 г. доля возобновляемых источников (воды, ветра, солнца, биомассы) составляла 6%, атомной энергии-16%, а оставшуюся долю занимало ископаемое топливо [39]. К 2010 г. Европейская комиссия планирует увеличить использование экологически чистых источников энергии до 12% [39].

Выбросы тепловых электростанций состоят, в основном, из углекислого газа, который ответственен за тепличный эффект и изменение климата и, например, приводит к засухе в районах производства зерна и картофеля. Другие выбросы включают окислы серы и азота, которые в атмосфере превращаются в серную и азотную кислоты и возвращаются на землю со снегом или в виде кислотных дождей. Повышенная кислотность воды приводит к снижению плодородия почвы, уменьшению рыбных запасов и засыханию лесов, повреждению строительных конструкций и зданий. Токсичные тяжелые металлы, такие как кадмий, ртуть, свинец, могут растворяться кислотами и попадать в питьевую воду и сельскохозяйственные продукты [76].

Из-за вредного воздействия электростанций снижается продолжительность жизни людей, снижаются урожаи, необходимо восстановление лесов и ремонт зданий в результате загрязнения воздуха, воды и почвы. Поэтому возобновляемые и нетрадиционные виды энергии привлекают внимание относительно высокой экологической чистотой по сравнению с традиционными.

Прежние исследования утилизации солнечной энергии недостаточны для оценки возможности применения солнечных установок в различных климатических условиях. В этой связи исследование процессов теплообмена в системах «солнечный коллектор — аккумулятор тепла» является актуальной проблемой.

Состояние и краткая история вопроса. Известно, что каждый год в мире потребляется столько нефти, сколько ее образуется в природных условиях за 2 млн. лет [101]. Наблюдающиеся сейчас трудности вызваны высокими ценами на энергоресурсы, а не их дефицитомпоскольку размеры разведанных запасов нефти, природного газа, урана велики, то эти энергоресурсы будут продолжать играть важную роль в течение длительного времени. По мере истощения наиболее крупных и доступных запасов невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов будет сокращаться не только их удельный вес в общем потреблении энергии, но и объем их потребления, а запасы нефти и природного газа не в состоянии будут удовлетворять потребности в коммерческих энергоресурсах (к коммерческим энергоресурсам относят уголь, нефть, газ, ядерную, гидравлическую и геотермальную энергию). Маловероятно, что человечество останется совсем без угля, нефти и природного газа, однако в результате действия рыночных механизмов эти уменьшающиеся и все более дорогие ресурсы будут использоваться, скорее всего, только в тех случаях, где им не удастся подобрать альтернативу.

Пик развития «солнечного» рынка в мире, обусловленный разразившимся энергетическим кризисом и резким ростом цен на энергоресурсы, пришелся на середину и конец 70-х гг. Во многих странах были приняты специальные государственные программы прямой финансовой, законодательной и информационной поддержки и стимулирования развития технологий использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. В настоящее время во многих странах мира технологии использования солнечных установок для бытовых целей достаточно хорошо отработаны и широко доступны на рынке, например, в Германии, США, Израиле, Японии [23,25, 80, 85,107,113].

В бывшем СССР, несмотря на искусственно устанавливаемые цены на традиционные энергоресурсы, вопросам развития гелиотехники также уделялось определенное внимание со стороны государства. Действовали государственные программы по линии Минтопэнерго. Вместе с тем эти усилия были направлены преимущественно на южные республики (Туркмения, Узбекистан, Грузия, Армения, Украина и др.), где климатические условия, безусловно, являются наиболее благоприятными для использования солнечной энергии. В результате, сегодня в России число действующих солнечных установок весьма ограничено (Краснодарский край, Ростовская область [10−12, 14, 15, 56]). Тем не менее, за последние годы в России сформировалось около десятка потенциальных производителей солнечных коллекторов и водонагревателей. В основном производителями выпускаются опытные и мелкие партии. Как правило, сегодня этоакционерные компании, занимающиеся другими основными видами деятельности.

Ограниченное применение солнечных установок вызвано • недостаточной информированностью потенциальных потребителей о возможностях практического использования солнечных установок и их преимуществ, а также отсутствием комплексного подхода к поставке систем солнечного теплоснабжения производителями солнечных коллекторов. Расширение рынка солнечных водогрейных установок во многом зависит от информированности потенциального покупателя о достоинствах и технических возможностях предлагаемых новых технологий. Покупателя наряду со стоимостными показателями, сроком службы, надежностью в эксплуатации в первую очередь интересует вопрос: «сколько воды и до какой температуры нагреет предлагаемая ему установка». Сколько дней летом, весной, осенью и, возможно, зимой приобретаемая установка гарантированно обеспечит получение горячей (или хотя бы теплой) воды в реальных климатических условиях места ее использования [85,94].

Вместе с тем в связи с тенденцией неуклонного роста цен на топливо и электроэнергию интерес к солнечным установкам растет. Проблемам использования возобновляемых источников энергии посвящено большое количество исследований российских и зарубежных ученых. Научные исследования в области солнечной энергетики проводятся в Институте теплофизики СО РАН, Институте высоких температур РАН, Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе, в Алтайском региональном центре нетрадиционной энергетики и энергосбережения и др. В рамках государственной научно-технической программы России «Экологически чистая энергетика» проводили исследования П. П. Безруких, В. И. Доброхотов, Э. Э. Шпильрайн. Значительный вклад в исследования возобновляемых источников энергии внесли ученые: Д. С. Стребков (НИИ электрификации сельского хозяйства), В. М. Казанджан, В. И. Виссарионов (МЭИ) -разработка энергосистем на основе возобновляемых источников энергииВ.Е. Накоряков, И. М. Калнинь, Г. П. Васильев (Институт теплофизики СО РАН) — использование тепловых насосовТерехов В.И., Терехов В. В., Низовцев М. И., Грищенко В. В., Трушковская А. А. (Институт теплофизики СО РАН) — пассивное солнечное отопление через оконные стеклопакетыО.С. Попель (Институт высоких температур РАН) — солнечные водонагревательные установкиБ.В. Тарнижевский (ЭНИН им. Г.М. Кржижановского) — использование солнечной энергии для теплоснабженияЕ.С. Панцхава, JI.B. Зысин (Институт биохимии им. А. Н. Баха РАН) — энергетическое использование биомассы. Из зарубежных ученых стоит отметить таких германских ученых как V. Wittwer, К. Voss, A. Goetzberger, которые внесли вклад в разработку солнечных энергетических систем теплоснабжения зданий.

Целью данной работы является разработка методики прогноза теплопроизводительности систем солнечного отопления и горячего водоснабжения с учетом местных метеоусловий.

Задачами данной работы являются:

1. Разработка метода расчета прихода солнечной энергии на произвольно ориентированную • площадку, максимально учитывающего местные метеоусловия.

2. Проведение измерений коэффициента пропускания прозрачной сотовой теплоизоляции в зависимости от угла падения излучения.

3. Разработка методики оценки и численное моделирование теплопотерь из рекуперативного теплообменника.

4. Разработка методики оценки и численное моделирование теплопотерь из заглубленного межсезонного аккумулятора тепла в одномерном приближении.

Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационном исследовании, обеспечивается использованием убедительных качественных физических соображений, сочетанием достаточно точной модели, описывающей движение плоскости закрепленного в наклонном положении солнечного коллектора на поверхности Земли относительно Солнца, и достоверных метеорологических данных по интенсивности солнечного излучения, по поступлению суммарного, прямого и рассеянного излучения на горизонтальную поверхность, по облачности и по альбедо земной поверхности. В диссертационной работе использованы хорошо известные уравнения нестационарного теплообмена и граничные условия, а также стандартные инженерные методики для расчета потерь в подводящих трубопроводах.

Личный вклад автора заключается в: -выполнении математического моделирования процессов теплообмена системы «солнечный коллектор — аккумулятор тепла» для заданного диапазона варьирования параметров (температура на входе в коллектор, температура окружающей среды, толщины теплоизоляции всех элементов системы);

— разработке балансовой модели системы «солнечный коллектораккумулятор тепла»;

— предложении методики оценки располагаемого количества солнечного излучения на произвольно ориентированную поверхность с учетом метеорологических данных многолетних наблюдений для метеоусловий Алтайского края;

— выполнении экспериментальных исследований теплоизоляционных свойств прозрачной сотовой теплоизоляции, перспективной для применения в конструкции коллекторов солнечной энергии.

Научная новизна работы заключается в разработке усовершенствованной методики оценки и прогноза прихода тепловой энергии солнечного излучения, учитывающей местные климатические факторы и все основные виды тепловых потерьизмерении коэффициента пропускания прозрачной сотовой теплоизоляции в зависимости от угла падения излученияв создании комплекса программ и проведении компьютерного моделирования системы «солнечный коллектораккумулятор тепла». Впервые получены формулы для расчета результирующей энергетической освещенности наклонной поверхности с учетом облачности, теплопроизводительности солнечных коллекторов с учетом диффузного излучения, потерь тепла в грунт за сутки через боковые стены и дно аккумулятора тепла. Предложены рекомендации для использования установок солнечной энергии в условиях Алтайского края.

Научная и практическая ценность работы. Результаты исследования могут служить теоретической основой расчета баланса энергии при разработке систем солнечного теплоснабжения, дополняющих традиционные системы, применительно к жилым зданиям и зданиям производственного назначения, направленных на существенное сокращение использования ископаемых топлив.

Результаты исследования использовались в Алтайском региональном центре нетрадиционной энергетики и энергосбережения (об этом имеется справка).

На защиту выносятся:

— методика оценки располагаемого количества энергии солнечного излучения, падающего на произвольно ориентированную поверхность;

— математическая модель баланса энергии в системе «солнечный коллектораккумулятор тепла» с учетом всех основных видов тепловых потерь;

— результаты моделирования тепловых потоков в системе «солнечный коллектор — аккумулятор тепла» для условий Алтайского края.

Публикации. По результатам работы опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах.

Апробация результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: седьмая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Екатеринбург, 2001 г., Российский национальный симпозиум по энергетике, Казань, 2001 г., международная научно-техническая конференция, Тверь, 2001 г., восьмая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Екатеринбург, 2002 г.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 193 страницах, содержит 38 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 117 наименований и 6 приложений.

Основные результаты и выводы проделанной работы сводятся к следующему:

1. Впервые получена формула для расчета результирующей энергетической освещенности наклонной поверхности с учетом облачности.

2. Разработана методика оценки и прогноза прихода тепловой энергии солнечного излучения с учетом всех основных видов тепловых потерь.

3. Впервые получены формулы для расчета теплопроизводительности солнечных коллекторов с учетом диффузного излучения, учитывающие зависимость коэффициента пропускания от угла наклона.

4. Выполнен расчет зависимости теплопроизводительности солнечных коллекторов разных типов от угла наклона коллектора за каждый месяц года для условий Алтайского края. Результаты расчетов показали, что для использования коллектора в условиях Алтайского края в период с марта по октябрь оптимальный результат дает угол наклона коллектора в диапазоне 4(Н45°. Плоский коллектор с однослойным остеклением в течение времени с ноября по январь включительно неработоспособен, поэтому для круглогодичной эксплуатации коллектор такого типа не подойдет. Для зимних месяцев необходимо применять более сложные конструкции коллектора, например вакуумированные. Изменение угла наклона вакуумированного коллектора до 75° значительно повышает КПД в период с ноября по февраль.

5. Проведены экспериментальные исследования теплоизоляционных свойств прозрачной сотовой теплоизоляции, перспективной для применения в конструкции коллекторов солнечной энергии. Измерен коэффициент пропускания прозрачной сотовой теплоизоляции в зависимости от угла падения излучения. Результаты экспериментов с ПСТИ показали, что быстрее и на большие температуры нагревается пластина, защищенная ПСТИ со стеклом, затем просто защищенная ПСТИ, и медленнее всего нагревается незащищенный образец. Таким образом, защитная оболочка ослабляет инфракрасное излучение, испускаемое пластиной, и позволяет пластине нагреваться интенсивнее. Пластина с ПСТИ, покрытой стеклом, дает возможность наиболее эффективно использовать солнечную энергию.

6. Проведены расчеты тепловых потерь трубопроводами и коллектором совместно с трубопроводами в зависимости от влияющих параметров. Результаты расчетов показали, что относительные потери чрезвычайно велики при низкой освещенности. Расчеты теплопотерь коллектором и соединительными трубопроводами показали, что при площади коллектора больше 10 м увеличение его площади мало сказывается на зависимости потерь от толщины теплоизоляции трубопроводов. Эти потери сравнительно невелики при характерной длине трубопроводов 13 м.

7. Впервые получены формулы для расчета потерь тепла в грунт за сутки через боковые стены и дно аккумулятора тепла.

8. Разработан нестационарный метод расчета аккумулятора тепла и выполнен расчет теплопотерь из заглубленного межсезонного аккумулятора тепла в одномерном приближении.

9. С помощью разработанного комплекса программ выполнено полное компьютерное моделирование процессов теплообмена в системе «солнечный коллектор — аккумулятор тепла».

Практическая значимость результатов научных исследований заключается в их направленности на решение важнейших задач моделирования, прогнозирования и оптимизации использования энергии солнечного излучения при одновременном сокращении потерь тепла. К диссертации прилагается справка об использовании результатов исследовательской работы Трошкиной Г. Н. (Алтайский региональный центр нетрадиционной энергетики и энергосбережения, г. Барнаул).

Автор выражает благодарность научному руководителю Сагалакову A.M. и научному консультанту Чертищеву В. В. за помощь и поддержку в процессе выполнения данной работы и за ценные замечания.

Заключение

.

Использование возобновляемых источников энергии является актуальной проблемой современной науки и технологии. Одним из наиболее перспективных видов возобновляемой энергии является энергия солнечного излучения, которая в настоящее время все более широко используется во всем мире для систем отопления и горячего водоснабжения. Для преобразования солнечной энергии в тепло обычно применяются установки, основными элементами которых являются солнечные коллекторы и аккумуляторы тепла. Данная работа посвящена математическому моделированию процессов теплообмена в системе «солнечный коллектораккумулятор тепла».